Väte är en alternativ energikälla som kan produceras från förnybara källor av solljus och vatten. En grupp japanska forskare har utvecklat en fotokatalysator som tiodubblar väteproduktionen.

Upptäckten gjordes av en gemensam forskargrupp ledd av docent TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) och professor MAJIMA Tetsuro (Institutet för vetenskaplig och industriell forskning, Osaka University). Deras resultat publicerades den 6 april i onlineversionen av Angewandte Chemie International Edition .

När ljus appliceras på fotokatalysatorer, elektroner och hål bildas på katalysatorns yta, och väte erhålls när dessa elektroner reducerar vätejonerna i vatten. Dock, i traditionella fotokatalysatorer rekombinerar de hål som produceras samtidigt som elektronerna för det mesta på katalysatorns yta och försvinner, vilket gör det svårt att öka konverteringseffektiviteten.

Professor Tachikawas forskargrupp utvecklade en fotokatalysator gjord av mesokristall, medvetet skapa en brist på enhetlighet i storlek och arrangemang av kristallerna. Denna nya fotokatalysator kan rumsligt separera elektronerna och elektronhålen för att förhindra att de rekombineras. Som ett resultat, den har en mycket effektivare omvandlingshastighet för att producera väte än konventionella nanopartikulära fotokatalysatorer (cirka 7 procent).

Teamet utvecklade en ny metod som kallas "topotaktisk epitaxiell tillväxt" som använder nanometerstora utrymmen i mesokristaller. Baserat på denna syntesmetod kunde de syntetisera strontiumtitanat (SrTiO3) från en förening med en annan struktur, titanoxid (TiO2), med en enkel hydrotermisk reaktion i ett steg. Genom att förlänga reaktionstiden, de kunde också växa större partiklar nära ytan samtidigt som de bevarar sin kristallina struktur.

När de fäste en co-katalysator till den syntetiserade mesokristallen och applicerade ultraviolett ljus i vatten, reaktionen inträffade med ungefär 7 procent ljusenergiomvandlingseffektivitet. Under samma förutsättningar, SrTiO3-nanopartiklar som inte hade omvandlats till mesokristaller nådde en omvandlingseffektivitet på mindre än 1 procent, bevisar att reaktionseffektiviteten ökade tiofaldigt under mesokristallstrukturen. När varje partikel undersöktes under ett fluorescerande mikroskop, teamet fann att elektronerna som producerades under reaktionen samlades runt de större nanokristallerna.

När den utsätts för ultraviolett ljus, elektronerna i denna nyutvecklade fotokatalysator rör sig smidigt mellan nanopartiklarna inuti mesokristallen, samlas runt de större nanokristallerna som genereras på kristallens yta, och effektivt reducera vätejonerna för att skapa väte.

Upptäckten av denna kraftfulla fotokatalysator började med forskarnas idé att "medvetet bryta ner den ordnade strukturen hos mesokristaller, " ett koncept som skulle kunna appliceras på andra material. Strontiumtitanatet som används denna gång är en kubisk kristall, vilket innebär att det inte finns någon variation i molekylär adsorption eller reaktionsstyrkan för varje kristallplan. Genom att reglera storleken och det rumsliga arrangemanget av nanokristallerna, som utgör byggstenarna för denna struktur, det kan vara möjligt att kraftigt öka effektiviteten för ljusenergiomvandlingen av det befintliga systemet.

Med hjälp av dessa fynd, forskargruppen planerar att tillämpa mesokristallteknologi för att förverkliga den supereffektiva produktionen av väte från solenergi. Perovskitmetalloxiderna, inklusive strontiumtitanat, målet för denna studie, är de grundläggande materialen i elektroniska element, så att deras resultat kan tillämpas på ett brett spektrum av områden.